Il Calice di Nettuno: una potenziale fonte di biocomposti

Chi di noi andando al mare, durante la stagione estiva, non ha mai visto o almeno sentito parlare delle spugne? Nell’immaginario collettivo sentir pronunciare questa parola porta inevitabilmente a pensare alle comuni spugne utilizzate sotto la doccia. Per molti il contatto o semplicemente la vista di questi antichi organismi può non essere ben accetto. Sotto altri punti di vista, i Poriferi in generale, sono organismi soggetti a grande interessa da parte della scienza. È proprio il caso della spugna Cliona patera, conosciuta anche come Calice di Nettuno, ritenuta estinta fino al 2011, data di un importante ritrovamento lungo le coste meridionali di Singapore.

Il Calice di Nettuno: una spugna particolare

Il Calice di Nettuno o C. patera è una spugna appartenente alla classe delle Demospongiae, conosciute anche come spugne silicee. Questa classe è la più ampia del phylum dei Poriferi, arrivando infatti a comprendere circa il 95% delle specie note. Essa fu scoperta per la prima volta nel 1820 dal generale-maggiore Thomas Hardwicke (Fig.1), un naturalista, che la descrisse nel seguente modo:

“Nella sua forma assomiglia a quel tipo di bicchiere chiamato calice, con una base o radice ben definita, un gambo cilindrico e una ciotola capiente. La sua consistenza è non elastica, composta da numerosi tubi o cellule anastomizzanti…”

Thomas Hardwicke (1820)
Tavola di Calice di Nettuno C. patera
Figura 1 – La tavola di disegno accompagnante la descrizione fornita da T. Hardwicke di C. patera. [Fonte: T. Hardwicke]

 C. patera fu avvistata per l’ultima volta durante la fine del 900’. La loro scomparsa era legata soprattutto al sovrasfruttamento di quest’ultima come spugna da esposizione, non più di un mero trofeo per i raccoglitori accaniti. Nel 2011, durante una normale immersione esplorativa, vennero ritrovati due esemplari giovani di questa specie. Da quel momento si aprirono così una serie di percorsi di ricerca riguardanti lo studio di questi magnifici esemplari nel loro habitat naturale.

Il microbioma di una spugna

Abbiamo già trattato il microbioma delle spugne, ma è giusto ricordare che come ogni essere vivente, questi organismi ospitano complessi consorzi microbici. Il loro microbioma è essenziale per la vita e la resilienza di questi fantastici invertebrati bentonici (che per chi non è pratico del settore, va ad intendere quegli animali che vivono in prossimità del fondo del mare o in stretto contatto con esso). Riassumendo qualche dato, si stima che esistano almeno 40 phyla (Fig.2) di batteri e archea facenti parte del microbioma di questi organismi. Il che fa di questi organismi (considerati come olobionti, ovvero l’insieme spugna-microbioma) dei veri e propri “hotspot” di biodiversità.

OTU di poriferi, Il Calice di Nettuno
Figura 2 – OTUs microbici, con distinzione nei differenti phyla. [Fonte: Pita et al., 2018]

Molti dei microrganismi che vivono in simbiosi con le spugne non sono coltivabili, quindi di conseguenza un più difficili da studiare. Per questo nel tempo attraverso tecniche di metagenomica, metaproteomica e metatrascrittomica si è riusciti ad inabissarsi sempre di più nella conoscenza di questi particolari mondi microbiologici.

Un calice microbiologico

In fin dei conti gli studi sul microbioma delle spugne furono avviati anche allo scopo di individuare molecole proteiche (per la gran parte) con potenziali proprietà biomediche, quali antitumorali, antibiotiche e così via. È datato giugno 2021, lo studio in cui alcuni ricercatori dell’università di Singapore hanno analizzato i potenziali biocomposti provenienti dal microbioma del Calice di Nettuno. Attraverso l’individuazione di 5222 OTUs (Unità tassonomiche operative), i ricercatori sono riusciti a individuare ben 26 phyla batterici e 7 phyla di Archaea. Questi si dividono in ulteriori 74 classi batteriche e 12 classi di Archaea. Lo studio si basa quindi sull’analisi delle sequenze 16s rRNA relative ai microrganismi simbiotici. Le analisi in questione, condotte su 3 sezioni diverse (interno del calice, esterno del calice ed esterno di quello che potremmo chiamare fusto o base) delle spugne per un totale di 48 spugne analizzate.

Figura 3 – Numero di OTUs individuate divise in base alla sezione di spugna analizzata. [Fonte: Xin Yi Ho et al., 2021]

Microbioma specie-specifico

I risultati portano quindi a pensare che, data anche la complessità e la diversità che lo distingue, il microbioma di C. patera sia da considerare specie-specifico. Questo anche perché il numero dei microrganismi individuati è praticamente il doppio di quelli riscontrati nella colonna d’acqua circostante alle spugne. Secondo sempre i risultati, la comunità predominante è quella dei Proteobacteria (abbondanza relativa pari al 70%), specificamente Gammaproteobacteria e Alphaproteobacteria. Data l’elevata abbondanza di questo phylum, questa specie è classificata come LMA (Low Microbial Abundance). La caratteristica curiosa è che però circa un 10% dei batteri è non classificabile quindi potenzialmente una porzione di questi è ancora da caratterizzare ed isolare. Di particolare importanza è invece il genere Ruegeria, tipicamente isolato da diverse spugne. Sempre questo genere è solitamente associato alla produzione di nuovi composti bioattivi.

Un calice potenzialmente fruttuoso

Per gli addetti ai lavori, il materiale (campionato da esemplari giovani di C. patera) è stato trattato in modo tale da garantirgli un ambiente simile a quello marino, utilizzando quindi durante le varie fasi terreni come il Marine Agar o Marine Broth. I tessuti omogenizzati tramite mortaio e pestello in acqua di mare sintetica. Si è proceduto poi all’isolamento dei ceppi batterici. Questi sono stati poi trattati secondo precise procedure e preparati per la fase fondamentale relativa all’individuazione dei possibili biocomposti. Questa consiste nel saggio dell’attività inibitoria del quorum sensing, in questo caso basato su un ceppo di Pseudomonas aeruginosa.

Esemplare di Calice di Nettuno
Figura 4 – Esemplare fossile di C. patera conservato al Naturalis Biodiversity Center. [Fonte: Naturalis]

Da li poi i ricercatori hanno valutato questo tipo di attività, andando quindi ad isolare quei ceppi che dimostravano elevate capacità antimicrobiche (34 ceppi microbici totali). Di questi ceppi la maggior parte (che presentavano almeno un’inibizione maggiore del 55%) sono stati classificati come Bacilli (phylum Firmicutes) o Alphaproteobacteria (phylum Proteobacteria). Per comprendere al meglio la chimica e le specie chimiche coinvolte in questo tipo di proprietà si è effettuata una spettrometria di massa con approccio metabolomico.

I biocomposti

Le analisi in ultima istanza hanno dimostrato come le specie chimiche coinvolte potessero appartenere a famiglie relative all’anisomicina e la dehidroxycardamine (Fig.5). Tornando al genere Ruegeria, questo è tipicamente associato alla produzione di molecole antibatteriche in altri casi efficaci contro Bacillus subtillis e Staphylococcus aureus. In particolar modo questo genere è collegato come ribadito precedentemente a composti simili all’anisomicina e alla surfattina.

Figura 5 – Network risultante dalle analisi spettrometriche dei composti ionici. [Fonte: Xin Yi Ho et al., 2021]

Nel complesso dello studio possiamo affermare che all’interno del microbioma del Calice di Nettuno le diverse molecole potenzialmente bioattive, tra cui ritroviamo siderofori, derivati delle pirrolidine, biosurfattanti, dichetopiperazine, sono quindi davvero numerose. Tra queste sicuramente le più interessanti si rivelano essere le dichetopiperazine, che nel tempo hanno dimostrato possedere attività antibatteriche, antifungine, antitumorali e antivirali.

Paragoni con altri tipi di spugne

In genere le l’attività dei microrganismi che compongono il microbioma delle spugne varia da specie a specie. Alcune specie di spugne ospitano microrganismi con geni in grado di produrre o incentivare la produzione di vitamine come la vitamina B1, B2, B7 e B12. In altri casi semplicemente questi si limitano a produrre sostanze chimiche difensive a vantaggio delle spugne stesse. Ma anche nell’elaborare le grandi quantità di ammoniaca che le spugne stesse producono come scarto del metabolismo (in particolar modo organismi in grado di ossidare l’ammoniaca, il primo step della nitrificazione). Tutto questo, insieme alla scoperta di potenziali composti bioattivi, è diventato possibile anche grazie all’avvento di approcci “omici” tra cui la già nominata metagenomica.

Esemplare di spugna
Figura 6 – Esemplare di Aplysina archeri. [Fonte: Nick Hobgood]

Conclusioni

Traendo qualche conclusione riguardo studi di questo tipo (analisi del microbioma di C. patera) ci è possibile affermare che essi siano utili all’avanzare della ricerca anche nel campo biomedico. Questi però possono ovviamente portare anche avanzamenti nella conoscenza delle intricate relazioni che questi apparentemente semplici organismi sono in grado di instaurare con una moltitudine di microrganismi. Continuando su questa strada, potremmo arrivare a scoprire meccanismi e composti utili alla cura di malattie che ancora una cura non hanno. È certo però che per ottenere risultati concreti non bastano solo studi di questo tipo, in quanto sono in un certo senso un filtro per individuare una base di partenza per ricerche ancora più approfondite dal punto di vista biotecnologico. Adesso che ne dite, è arrivato il momento di rivalutare le spugne?

Luigi Gallucci

Fonti

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